Atualizações do Fatigue Module

Para usuários do Fatigue Module, a versão 5.2a do COMSOL Multiphysics® fornece o novo modelo Dang-Van, que é feito especialmente para a modelagem rápida e precisa de cargas compressivas, fadiga de contato, fadiga subsuperficial e lascamento. Uma série de novos modelos tutoriais demonstram aplicações deste novo recurso. Saiba mais sobre as atualizações do Fatigue Module aqui.

Modelagem de Fadiga Subsuperficial

A família de modelos de fadiga baseados em tensão foi ampliada para incluir o modelo Dang-Van. Este novo modelo incorpora a sensibilidade do estado compressivo na previsão de fadiga por meio de tensão hidrostática. Portanto, o modelo Dang-Van é adequado para a avaliação de cargas compressivas e para fadiga de contato. O modelo pode prever o desenvolvimento de fadiga subsuperficial antes do lascamento que é observado em, por exemplo, em trilhos e rolamentos.

Fadiga subsuperficial em um material de superfície endurecida, avaliada com base no modelo Dang-Van. Fadiga subsuperficial em um material de superfície endurecida, avaliada com base no modelo Dang-Van.
Fadiga subsuperficial em um material de superfície endurecida, avaliada com base no modelo Dang-Van.

O modelo de Dang-Van pode ser avaliado em entidades 1D, 2D e 3D. No entanto, ao modelar a fadiga subsuperficial, uma avaliação em domínios 3D é mais adequada. A análise de fadiga pode ser demorada, uma vez que as tensões mais altas geralmente estão localizadas cerca de 10 a 100 micrômetros abaixo da superfície e uma solução precisa requer uma discretização refinada de toda a profundidade. Além disso, se a carga de contato for transferida ao logo de superfícies curvas, será necessária uma malha fina ao logo das duas dimensões de superfície. No entanto, os cálculos são facilmente paralelizados e o tempo de avaliação diminui quando eles são feitos em múltiplos processadores.

Caminhos na Biblioteca de Aplicações para exemplos que mostram a modelagem de fadiga subsuperficial e o modelo de Dang-Van:

Fatigue_Module/Stress_Based/standing_contact_fatigue
Fatigue_Module/Stress_Based/shaft_with_fillet
Fatigue_Module/Stress_Based/linear_guide

Parametrização de Modelos de Fadiga

A maioria das opções de configuração dos modelos de fadiga foram parametrizadas. Isso significa que os parâmetros e as variáveis podem ser atribuídos às configurações do modelo de fadiga e sua influência na fadiga pode ser avaliada em um estudo paramétrico. Somente duas opções não podem ser parametrizadas: o Number of mean value bins e o Number of range bins do recurso Cumulative Damage.

Caminho na Biblioteca de Aplicações para um exemplo que mostra o uso da parametrização em um modelo de fadiga:

Fatigue_Module/Stress_Life/bracket_fatigue

Um estudo paramétrico do fator de tensão usado para modificar a curva SN em diferentes condições ambientais e de produção. Um estudo paramétrico do fator de tensão usado para modificar a curva SN em diferentes condições ambientais e de produção.

Um estudo paramétrico do fator de tensão usado para modificar a curva SN em diferentes condições ambientais e de produção.

Novo Modelo Tutorial: Standing Contact Fatigue

Um ensaio de fadiga de contato permanente é um procedimento usado para testar o crescimento da trinca subsuperficial. Nesse tipo de teste, um objeto esférico é pressionado contra os materiais testados, com um ciclo de carga compressiva alta e baixa, alternadamente. Nenhum movimento de translação ocorre entre os dois objetos.

Após um período de tempo, pode-se observar trincas na superfície do objeto plano, enquanto uma análise mais detalhada do componente revela múltiplas trincas abaixo da superfície. A superfície é originalmente endurecida, o que altera as propriedades do material da superfície em comparação com as propriedades do resto do objeto. Este procedimento de endurecimento da superfície afeta as propriedades de fadiga, encruamento e resistência do material do objeto, enquanto tensões residuais também são introduzidas em toda a profundidade do objeto.

Três camadas distintas de material afetado pela fadiga podem ser observadas. Mais próximo da superfície, a amostra tem uma camada reforçada, enquanto no núcleo as propriedades do material não são afetadas. Entre essas camadas há uma camada de transição, na qual tanto as propriedades do material quanto a tensão residual apresentam fortes gradientes. Todos esses efeitos são incorporados na simulação do ciclo da carga.

Neste exemplo, a fatiga é simulada usando o modelo Dang-Van. Os resultados mostram tensões que são uma combinação do estado residual do processo de encruamento e da resposta estrutural à deformação plástica decorrente da indentação do objeto esférico. A plastificação ocorre somente durante o primeiro ciclo de carga, enquanto os ciclos subsequentes são elásticos por natureza. Portanto, o segundo ciclo de carga pode ser visto como um clico de carga estável e é usado no estudo de fadiga subsequente.

Caminho na Biblioteca de Aplicações para o Modelo Tutorial de exemplo que demonstra fadiga por contato permanente:

Fatigue_Module/Stress_Based/standing_contact_fatigue

A tensão efetiva em um material de superfície endurecida durante a carga de pico. As tensões mais altas são encontradas logo abaixo da superfície. Há também um máximo local de tensão na interface entre a camada de transição e o núcleo. A tensão efetiva em um material de superfície endurecida durante a carga de pico. As tensões mais altas são encontradas logo abaixo da superfície. Há também um máximo local de tensão na interface entre a camada de transição e o núcleo.

A tensão efetiva em um material de superfície endurecida durante a carga de pico. As tensões mais altas são encontradas logo abaixo da superfície. Há também um máximo local de tensão na interface entre a camada de transição e o núcleo.

Novo Modelo Tutorial: Rolling Contact Fatigue in a Linear Guide

Quando uma guia linear é carregada acima do limite especificado pelo fabricante, existe a preocupação se as cargas de contato introduzirão lascamento por fadiga. Na análise desse sistema, a guia inteira foi simulada e identificou-se que a carga de contato mais prejudicial ocorre na pista de rolamento do trilho. Uma vez que o lascamento é iniciado por uma trinca de fadiga subsuperficial, é feita uma avaliação da fadiga com base no modelo Dang-Van.

A avaliação da fadiga de uma carga de contato em movimento em uma superfície curva requer uma malha controlada. Os tamanhos dos elementos devem ser pequenos o suficiente para resolver corretamente a pressão de contato na superfície. E, como estamos analisando um contato por rolamento, a pressão do contato é dinâmica ao longo da superfície, de forma que toda a área de contato percorrida deve consistir de pequenos elementos. Além do mais, as grandes tensões de cisalhamento em uma análise de contato são encontradas abaixo da superfície, de forma que uma malha fina também é necessária em toda a profundidade do modelo.

Uma técnica para lidar com tal desafio é demonstrada neste modelo.

Caminho na Biblioteca de Aplicações para modelo exemplo que demonstra a fadiga de contato por rolamento em uma guia linear:

Fatigue_Module/Stress_Based/linear_guide

Malha usada em uma simulação de uma guia linear sujeita à fadiga de contato por rolamento. Malha usada em uma simulação de uma guia linear sujeita à fadiga de contato por rolamento.

Malha usada em uma simulação de uma guia linear sujeita à fadiga de contato por rolamento.

Modelo Tutorial Atualizado: Fatigue Analysis of a Non-Proportionally Loaded Shaft with a Fillet

Este Modelo Tutorial foi estendido com uma previsão de fatiga baseada no modelo Dang-Van. Os resultados dos três modelos baseados em tensão, Findley, Matake e Dang-Van, são então comparados uns com os outros e as diferenças são discutidas na documentação.

Caminho na Biblioteca de Aplicações para o Modelo Tutorial atualizado:

Fatigue_Module/Stress_Based/shaft_with_fillet

Modelo Tutorial Atualizado: Bracket — Fatigue Evaluation

O Modelo Tutorial Fatigue Evaluation of a Bracket foi estendido com um estudo paramétrico. A extensão demonstra, passo-a-passo, como executar um estudo paramétrico em uma análise de fadiga, tornando-se um bom ponto de partida para aprender a usar esse recurso.

Caminho na Biblioteca de Aplicações para o modelo tutorial atualizado:

Fatigue_Module/Stress_Life/bracket_fatigue